Environmental Chemistry
Rita Giovannetti
[email protected]
In this course…

Environmental Chemistry

Reach Legislation (Dr. Manuela Cortese)
References for the study of
environmental chemistry:

Lecture notes

Environmental Chemistry: Manahan, Stanley
Environmental Chemistry: Colin BairdMichael Cann

Final examination
– REACH legislation:
 Test
– ENVIRONMENTAL CHEMISTRY:
 Written small thesis of an topic of Environmental
chemistry. http://www.sciencedirect.com/
 Written examination
– LABORATORY
 Laboratory relation
 Written examination
In this course…

Environmental Chemistry
–
–
–
–
–
–
Introduction
Biochemical cycles
Water and water chemistry
Atmosphere and atmospheric chemistry
Soil and soil cemistry
Toxic chemicals
Environmental science
Technology and chemistry
Science of the complex interactions
 terrestrial,
 atmospheric,
 aquatic,
 living,
 anthropological environments.
È la scienza delle complesse interazioni che avvengono tra gli ambienti terrestre, atmosferico, idrico, di
vita, e antropologico.
In the Environmental
Science

chemistry,
 biology,
 ecology,
 sociology and government
Essa comprende tutte le discipline, come la chimica, la biologia, l'ecologia, la sociologia, e governative,
che incidono o descrivere queste interazioni.
Environmental science
In this course
the study of the earth, air, water,
living environments,
the effects of technology on the total
environment.
Ai fini di questo corso, la scienza ambientale sarà definita come lo studio della terra, aria, acqua, e
ambienti di vita, e degli effetti della tecnologia.
The Environment

Air, water, earth, life,
and technology are
strongly
interconnected.
The anthrosphere is in relation
with air, water, and earth
environments
with living systems,
Aria, acqua, terra, vita e tecnologie sono fortemente collegate.
Environmental Chemistry

the study of the sources, reactions,
transport, effects, and fates of chemical species in water,
soil, air,
and living environments, and the effects of technology
thereon.
lo studio delle origini, reazioni, i trasporti, effetti e destino delle specie
chimiche in acqua, suolo, aria e ambienti di vita, e gli effetti della tecnologia di
.
esso
The environment
In the description and study of the environment:



Atmosphere
Hydrosphere
Geosphere
 Biosphere.
 Antrosphere
Nella descrizione e lo studio dell'ambiente consideriamo:
Atmosfera, Idrosfera, Geosfera, Biosfera, Antrosfera (effetto dell’attività
umana).
Air and Atmosphere





Protective blanket
Source of carbon dioxide for plant photosynthesis and of oxygen for
respiration.
Provides the nitrogen, essential component of life molecules.
In the hydrologic cycle
– transports water from the oceans to land, as condenser in a vast
solar powered still.
Vital protective function:
– Absorbing ultraviolet radiation from the sun and stabilizing Earth’s
temperature.
L'atmosfera è un manto protettivo che nutre la vita sulla Terra e lo protegge dall'ambiente
ostile dello spazio esterno. È la fonte di biossido di carbonio per la fotosintesi delle piante e
di ossigeno per la respirazione. Contiene l'azoto componente essenziale delle molecole della
vita. Come parte di base del ciclo idrologico l'atmosfera trasporta l'acqua dagli oceani alla
terra, in modo da agire come il condensatore in un vasto solare alimentato ancora.
L'atmosfera ha una funzione protettiva vitale, assorbendo le radiazioni ultraviolette nocive del
sole e stabilizzando la temperatura della Terra..
Water and Hydrosphere,
The hydrosphere contains Earth’s water.

Covers 70% of Earth’s surface
Over 97% in oceans,

most of the remaining fresh water is in the form of ice.

small percentage: terrestrial, atmospheric, and biological processes.

The water that circulates through environmental processes and cycles
occurs in the atmosphere:


as ground water,
as surface water in streams, rivers, lakes, ponds, and reservoirs.
L'idrosfera contiene acqua della Terra. Oltre il 97% dell'acqua della Terra è in oceani, e la maggior
parte dell'acqua dolce è ancora in forma di ghiaccio. Pertanto, solo una percentuale relativamente
piccola del totale di acqua sulla Terra è effettivamente coinvolta con i processi terrestri, atmosferici e
biologici. L'acqua che circola attraverso processi ambientali e dei cicli proviene dall'atmosfera, come le
acque sotterranee, e come l'acqua di superficie in torrenti, fiumi, laghi, stagni, e serbatoi.
Water and Hydrosphere,
In all spheres of the environment:
 oceans : reservoir of saltwater,
 land: as surface water in lakes and rivers,
 underground: groundwater,
 atmosphere : water vapor
 polar icecaps : solid ice,
 anthrosphere: in boilers or municipal water
 essential part of all living systems: the medium from which life
evolved and in which life exists.
 Energy and matter by water.
In tutte le sfere dell'ambiente: negli oceani: serbatoio di acqua salata, sulla terra: l'acqua di
superficie in laghi e fiumi….
Water and Hydrosphere,

Water leaches soluble constituents

Water carries plant nutrients

Solar energy absorbed in the evaporation of ocean water is carried as
latent heat and released inland.

The release of latent heat provides a large fraction of the energy
Water is obviously an important topic in environmental sciences.

L'acqua trasporta componenti solubili. L'acqua trasporta nutrienti per i vegetali dal suolo.
L'energia solare assorbita in evaporazione delle acque oceaniche è trasferita come calore
latente e rilasciato nell'entroterra. Il rilascio di calore latente fornisce una grande frazione.
L'acqua è ovviamente un tema importante in scienze ambientali.
Eart and Geosphere
The geosphere consists of the solid earth, including soil,
which supports most plant life.
The part of the geosphere that is directly involved with
environmental processes
through contact with
 the atmosphere,
 the hydrosphere
 living things
is the solid lithosphere.
La geosfera consiste della terra solida, tra cui il suolo, che supporta la maggior parte della
vita vegetale.La parte della geosfera, che è direttamente coinvolta con i processi ambientali
attraverso il contatto con l'atmosfera, l'idrosfera, esseri viventi è la litosfera solida.
Life and Biosphere
All living entities on Earth compose the biosphere.
 all of the biosphere in geosphere and hydrosphere that
interface with the atmosphere.
 The biosphere strongly influences, and is influenced by
the other parts of the environment.
Tutti gli esseri viventi sulla Terra compongono la biosfera. Tutta la biosfera si trova nella
geosfera e idrosfera che si interfacciano con l'atmosfera.
La biosfera influenza fortemente, ed è influenzata dalle altre parti dell'ambiente.
.

Life
and
Biosphere
Organisms:
– to reducing atmosphere to an oxygen-rich one The
– formation of massive deposits of oxidized minerals

Photosynthetic organisms:
– remove CO2 from the atmosphere preventing greenhouse warming.

Organisms in bodies of water:
– produce biomass required for life and mediate oxidation-reduction
reactions

Organisms in weathering processes:
– break down rocks in the geosphere and convert rock matter to soil.

Lichens:
–
attach strongly to rocks: they secrete chemical species that slowly
dissolve the rock and retain surface moisture.
Organismi: da atmosfera riducente a ricca di ossigeno uno, formazione di depositi enormi di
minerali ossidati O.fotosintetici: rimuovono CO2 dall'atmosfera prevenendo l’aumento
dell’effetto serra. O. in corpi idrici: producono biomassa necessaria per la vita e mediano
reazioni di ossidoriduzione. O nei processi atmosferici: abbattono le rocce nella geosfera e
convertono la materia rocciosa in suolo. Licheni: attaccano fortemente alle rocce, secernono
specie chimiche che dissolvono lentamente la roccia e trattengono l'umidità superficiale.
Life and Biosphere



Plant photosynthesis,
– fixes solar energy (hv) and carbon from atmospheric CO2 in high-energy
biomass: CO2 + H2O {CH2O} + O2(g)
Plants and algae
– function as autotrophic organisms, utilizing solar or chemical energy to fix
elements into complex life molecules.
The opposite process, biodegradation,
– get rid of biomass and return carbon dioxide to the atmosphere.
– (aerobic respiration), {CH2O} + O2(g)  CO2 + H2O
– (anaerobic respiration): 2{CH2O}  CO2(g) + CH4(g)
Fotosintesi delle piante, fissa l'energia solare e carbonio da CO2 atmosferica a biomassaPiante e alghe funzionano come organismi autotrofi, utilizzando l'energia solare o chimica
per fissare elementi in molecole di vita complesse. Il processo opposto, la biodegradazione,
elimina la biomassa e rilascia anidride carbonica in atmosfera. (respirazione aerobica),
…(respirazione anaerobica): …
Life and Biosphere
Strong interconnection between the biosphere and the
anthrosphere.
 Humans depend upon the biosphere for food, fuel, and raw materials
 Human influence change drastically biosphere
– Fertilizers, pesticides, and cultivation increased yields of biomass, grains, and
food., destruction of habitat after the extinction of vast numbers of species.
– Bioengineering of organisms with recombinant DNA technology changes the
characteristics of organisms.
– It is the responsibility of humankind to make such changes intelligently and to
protect and nurture the biosphere.
Forte interconnessione tra biosfera e anthrosfera. Gli esseri umani dipendono dalla biosfera
per il cibo, combustibile e materie prime ma influenzano drasticamente la biosfera
Fertilizzanti, pesticidi, e coltivazioni aumentano le rese di biomassa, cereali, e il cibo.
Distruzione dell'habitat, dopo l'estinzione di un gran numero di specie. La Bioingegneria di
organismi con tecnologia del DNA ricombinante modifica le caratteristiche degli organismi.
E' responsabilità del genere umano di apportare tali modifiche in modo intelligente e per
proteggere e nutrire la biosfera.
Anthrosphere and Technology




Technology, engineering and industrial activities
– enormous influence on the environment.
Technology :the product of engineering based on scientific principles.
Science:
– to interrelated natural phenomena of energy, matter, time, and
space.
knowledge of science,
– Engineering provides the plans and means to achieve specific
practical objectives.
– Technology uses these plans to carry out the desired objectives.
Tecnologia, tratta dei modi con cui gli uomini lavorano con i materiali e l’energia.
Tecnologia è il prodotto dell’ingegneria basato su principi scientifici.
Una scienza che studia teorie e relazioni tra fenomeni naturali di energia, materia, tempo e
spazio. Conoscenza della scienza, ingegneria e attività industriali fornisce i piani e i mezzi per
raggiungere obiettivi pratici specifici per lo studio della scienza dell’ambiente
La tecnologia applicata correttamente è positiva nella salvaguardia dell’ambiente.
Anthrosphere and Technology


Humans will use technology: survival
The challenge: to interweave technology with considerations of the
environment and ecology

Technology, properly applied: positive influence for environmental
protection.
– Application: in air and water pollution control.
– “end-of-pipe” measures for the control of air and water pollution
– better to use technology in manufacturing processes to prevent the
formation of pollutants.

Technology is being used:
– For high efficient processes of energy conversion,
– renewable energy resource utilization,
– conversion of raw materials to finished goods
Gli uomini useranno la tecnologia per la sopravvivenza. La sfida è adoperare la tecnologia nel
rispetto dell’ambiente per un reciproco vantaggio. Poiché le misure alla fine di un processo
servono al controllo dell’inquinamento delle emissioni è meglio utilizzare la tecnologia per il
controllo del processo produttivo per prevenire la formazione di inquinanti. La tecnologia dovrà
essere utilizzata per sviluppare processi efficienti di conversione di energia, di sfruttamento di
risorse energetiche rinnovabili, e di conversione di materiali grezzi in prodotti finiti
Anthrosphere and Technology



Very recently:
– technological advances were made largely without heed to
environmental impacts.
Now:
– the greatest technological challenge is to reconcile technology with
environmental consequences.
The survival of humankind and of the planet that supports
– it now requires that the established two-way interaction between
science and technology become a three-way relationship including
environmental protection.
Fino a pochissimo tempo fa, i progressi tecnologici venivano raggiunti senza tener conto
dell’impatto ambientale. Oggi la maggiore sfida tecnologica consiste nel riconciliare la
tecnologia con i sui effetti sull’ambiente. La sopravvivenza della specie umana e del pianeta che
la ospita richiede che l’interazione tra scienza e tecnologia includa la protezione dell’ambiente
Energy and cycles of energy

Biogeochemical cycles
–

The sun acts as a so-called blackbody radiator
–

and virtually all other processes on Earth are driven by energy from
the sun.
with an effective surface temperature of 5780 K.
It transmits energy to Earth as electromagnetic radiation
–
with a maximum energy flux at about 500 nanometers,
– which is in the visible region of the spectrum.
I cicli biogeochimici e tutti i processi che avvengono sulla terra sono azionati dall’energia
proveniente dal sole. Il sole emette radiazioni come un corpo nero con una temperatura
superficiale effettiva di 5780K, trasmette energia alla terra come energia elettromagnetica con
un massimo intorno a 500 nm (regione visibile)
Energy flow and
photosynthesis in
living systems
Energy conversion and transfer by photosynthesis
Mentre i materiali vengono riciclati attraverso gli ecosistemi, il flusso di energia utile può
essere visto essenzialmente come un processo a senso unico. L’energia solare incidente può
essere considerata come energia ad alta forza perché può fare avvenire reazioni utili come
quella della fotosintesi. Come in fig. l’energia solare catturata dalle piante verdi stimola la
clorofilla che permette quei processi metabolici che producono carboidrati da acqua e CO2
che sono magazzini di energia chimica che può essere convertita in calore e lavoro. Alla fine
la maggior parte dell’energia è convertita in calore a bassa forza che viene irradiata come IR.
Energy utilization

The growing, enormous human impact on energy utilization:
– many of the environmental problems

This time period has seen a transition
– -the almost exclusive use of energy captured by photosynthesis and utilized
as biomass
– -use of fossil fuel petroleum, natural gas, and coal for about 90 percent,
– -and nuclear energy for about 5 percent

Fossil sources of energy
– -are limited and their pollution potential is high.
– -produce carbon dioxide, a greenhouse gas.
utilization of alternate renewable energy sources
solar energy and biomass.
Durante gli ultimi due secoli l’impatto umano sull’uso e la conversione dell’energia è stato
enorme e ha avuto come risultato molti problemi. Questo periodo di tempo ha visto una
transizione: l'uso quasi esclusivo di energia catturata dalla fotosintesi e utilizzato come biomassa,
all'uso di petrolio combustibile fossile, gas naturale, carbone per circa il 90 per cento, l'energia
nucleare per circa il 5 per cento le fonti fossili di energia: sono limitate e il loro potenziale di
inquinamento è alto, producono anidride carbonica, un gas a effetto serra. Pertanto sarà
necessario muoversi verso l’uso di fonti energetiche rinnovabili alternative come l'energia solare
e la biomassa.
MATTER AND CYCLES OF MATTER
Cycles of matter: elemental cycles very important in the
environment.
Global geochemical cycles : oceans, sediments, and the
atmosphere, connected by conduits
The movement of a specific kind of matter between two
particular reservoirs may be reversible or irreversible.
Cicli della materia, spesso basati su cicli elementari, sono di massima importanza per
l'ambiente. Cicli geochimici globali possono essere considerati dal punto di vista di diversi
serbatoi come gli oceani, i sedimenti, e l'atmosfera, collegati da interfacce attraverso le quali
la materia si muove continuamente. Il movimento di un particolare tipo di materia tra due
particolari serbatoi può essere reversibile o irreversibile.
MATTER AND CYCLES OF MATTER

The fluxes of movement for specific kinds of matter vary
greatly

Cycles of matter
– occur even in the absence of life but are strongly influenced by life
forms

biogeochemical cycles,
– describe the circulation of matter through ecosystems.
Il flusso di materia varia notevolmente al variare dei componenti della materia
all’interno di uno specifico serbatoio. I cicli di materia si avrebbero anche in assenza della
vita sulla Terra, ma sono fortemente influenzati dalle forme di vita, in particolare piante e
microrganismi. Gli organismi partecipano ai cicli biogeochimici, che descrivono i cicli della
materia, in particolare dei nutrienti di vegetali e animali, attraverso gli ecosistemi
MATTER AND CYCLES OF MATTER
General cycle showing interchange of matter
among the atmosphere, biosphere,
anthrosphere, geosphere, and hydrosphere.
Cicli della materia, spesso basati su cicli elementari, sono di massima importanza per
l'ambiente. Cicli geochimici globali possono essere considerati dal punto di vista di diversi
serbatoi come gli oceani, i sedimenti, e l'atmosfera, collegati da interfacce attraverso le quali
la materia si muove continuamente. Il movimento di un particolare tipo di materia tra due
particolari serbatoi può essere reversibile o irreversibile.
Endogenic and Exogenic Cycles
Cicli Endogeni ed esogeni ....Cicli di materiali possono essere suddivisi in generale tra i cicli
endogeni, che coinvolgono prevalentemente rocce del sottosuolo di vario genere, e cicli
esogeni, che si verificano in gran parte sulla superficie terrestre e di solito hanno una
componente atmosferica. In generale, i sedimenti e il suolo possono essere considerati come
equamente ripartiti tra i due cicli e costituiscono l'interfaccia predominante tra di loro.
Endogenic and Exogenic Cycles
Elemental cycles
involving nutrient elements: carbon, nitrogen, oxygen,
phosphorus, sulfur.
Many are exogenic cycles
part of the cycle in the atmosphere O2 for oxygen, N2 for
nitrogen, CO2 for carbon.
La maggior parte dei cicli biogeochimici può essere descritto come i cicli elementari che
coinvolgono elementi nutrienti come il carbonio, l'azoto, ossigeno, fosforo e zolfo.
Molti cicli sono esogeni in cui l'elemento in questione trascorre parte del ciclo in
atmosfera per l'ossigeno O2, N2 per l'azoto, emissioni di CO2 per il carbonio.
Endogenic and Exogenic Cycles
phosphorus cycle is endogenic cycles:
do not have a gaseous component
All sedimentary cycles (salt solutions or soil solutions):
dissolved substances leached from weathered
minerals;
may be deposited as mineral formations, or by
organisms as nutrients.
Altri, in particolare il ciclo di fosforo, non hanno una componente di inquinanti gassosi e sono
cicli endogeni. Tutti i cicli sedimentari coinvolgono soluzioni saline o soluzioni del suolo che
contengono sostanze disciolte per lisciviazione di minerali dalle intemperie; queste sostanze
possono essere depositate come formazioni minerali, oppure possono essere prese da
organismi come nutrienti.
Carbon Cycle
Ciclo del carbonio ....il carbonio è messo in circolazione attraverso il ciclo del carbonio.
Questo ciclo mostra che il carbonio che può essere presente come CO2 gassosa atmosferica,
costituente una porzione relativamente piccola, ma molto significativa. Parte del carbonio è
disciolto nelle acque superficiali e sotterranee HCO3- o CO2 molecolare.
Carbon Cycle
Una quantità molto grande di carbonio è presente in minerali, in particolare nei carbonati di
calcio e magnesio come CaCO3. La fotosintesi fissa il carbonio inorganico come carbonio
biologico, rappresentato come CH2O, che è un costituente di tutte le molecole della vita.
Carbon Cycle
Un'altra parte di carbonio è fissato come petrolio e gas naturale, con grosse quantità di
kerogene e CxH2xcarbone e lignite.
Carbon Cycle
Processi di produzione sono utilizzati per convertire idrocarburi in composti xenobiotici con
gruppi funzionali contenenti alogeni, O, N, P o S. Anche se questi composti rappresentano una
quantità molto piccola del C totale, sono particolarmente significativi a causa dei loro effetti
chimici e tossicologici.
Carbon Cycle
solar energy biological systems  geosphere and
anthrosphere
as fossil carbon and fossil fuels.
Organic, or biological, carbon, {CH2O}, is contained in
energy-rich molecules:
can react biochemically with molecular oxygen, O2 
 carbon dioxide & energy:
biochemically  aerobic respiration,
combustion
Un aspetto importante del ciclo del carbonio è che attraverso l'energia solare il carbonio è
trasferito a sistemi biologici e infine, nella geosfera e anthrosphere come carbon fossile e
combustibile fossile. Il carbonio organico e biologico, CH2O, è contenuto in molecole ricche
di energia, che possono reagire biochimicamente con l'ossigeno molecolare, O2, per
rigenerare l'anidride carbonica e produrre energia. Ciò si può verificare in un organismo
attraverso la respirazione aerobica, oppure attraverso la combustione, come quando è bruciato
legno o combustibili fossili.
Carbon Cycle
Microorganisms are strongly involved
biochemical reactions.
Photosynthetic algae are the predominant carbonfixing agents in water;
consume CO2 to produce biomass
the pH of the water increases with precipitation of
CaCO3 and CaCO3•MgCO3.
Nel ciclo del carbonio sono fortemente coinvolti microrganismi mediatori di importanti
reazioni biochimiche. Le alghe fotosintetiche sono la componente fissatrice del carbonio
prevalente in acqua; quando esse consumano CO2 per la produzione di biomassa il pH delle
acque aumenta permettendo la precipitazione di CaCO3 e CaCO3 • MgCO3
Carbon Cycle
Organic carbon fixed by microorganisms
biogeochemical processes


fossil petroleum,
kerogen,
 coal,
 lignite.
Il carbonio organico fissato dalla microrganismi è trasformato da processi biogeochimici al
petrolio fossile, kerogene, carbone e lignite.
Carbon Cycle

Microorganisms degrade organic carbon
from biomass, Petroleum, and xenobiotic
sources,
returning it to the atmosphere as CO2.

Hydrocarbons: crude oil and some synthetic
hydrocarbons
– are degraded by microorganisms.

Elimination of pollutant hydrocarbons
.
Microrganismi degradano carbonio organico delle biomasse, del petrolio, e delle fonti
xenobiotiche, e lo rimettono in atmosfera come CO2. Idrocarburi come quelli del petrolio
greggio e di alcuni idrocarburi sintetici sono degradati da microrganismi.
Questo è un importante meccanismo che può essere utilizzato per eliminare gli idrocarburi
inquinanti, come quelli che sono accidentalmente versati sul suolo o in acqua.
Nitrogen Cycle
N in all the spheres of the
environment.
high quantities in the atmosphere
(78%)
is an essential constituent of
proteins.
L’azoto è presente in maniera predominante in tutti i settori dell'ambiente. L'atmosfera è
costituita da una grande quantità di azoto elementare (78% ) e dispone di un serbatoio
inesauribile di questo elemento essenziale. L’azoto, sebbene sia presente nella biomassa in
quantità minore rispetto al carbonio e ossigeno, è un componente essenziale delle proteine.
Nitrogen Cycle
The N2 molecule is very stable
breaking into atoms
is the limiting step in the
nitrogen cycle.
by highly energetic processes
in lightning discharges
that produce nitrogen oxides.
La molecola N2 è molto stabile perciò la suddivisione in atomi che possono essere incorporati
con forme chimiche organiche e inorganiche di azoto è il passo limitante nel ciclo dell'azoto.
Ciò avviene attraverso processi altamente energetici con scariche elettriche che producono
ossidi di azoto.
Nitrogen Cycle



Elemental nitrogen:
incorporated into chemically
bound forms,
fixed by biochemical processes
mediated by microorganisms.
Biological nitrogen
is mineralized to the inorganic
form during the decay of
biomass.
Azoto elementare è inserito anche nelle forme chimicamente legate, o fissato da processi
biochimici mediati da microrganismi. L'azoto biologico è mineralizzato nella forma
inorganica durante il decadimento della biomassa.
Nitrogen Cycle
Large quantities of nitrogen are
fixed synthetically
under high temperature and high
pressure conditions:
N2 + 3H2  2NH3

denitrification completes the
nitrogen cycle:
production of gaseous N2 and N2O
by microorganisms,
the evolution of these gases to the
atmosphere
Grandi quantità di azoto sono fissati in modo sintetico ad alta temperatura e condizioni di
alta pressione, secondo la seguente reazione complessiva…La produzione di N2 and N2O
con microorganismi e l’evoluzione di questi gas in atmosfera completa il ciclo dell’azoto
attraverso un processo chiamato denitrificazione.
Oxygen Cycle

elemental form of gaseous O2

chemically bound O in CO2, H2O, and organic matter.

strongly tied with other elemental cycles, particularly
the carbon cycle.

becomes chemically bound by various energy yielding
processes,
– combustion and metabolic processes in organisms.
Il ciclo dell’ossigeno prevede lo scambio di ossigeno tra la forma elementare di O2 gassoso,
contenuto in un serbatoio enorme dell’atmosfera, e O chimicamente legato in CO2, H2O, e
materia organica. È fortemente legato con altri cicli elementari, in particolare il ciclo del
carbonio. L’ossigeno elementare si lega chimicamente attraverso numerosi vari processi
energetici come la combustione e i processi metabolici negli organismi.
Oxygen Cycle




It is released in photosynthesis.
Readily combines and
oxidizes other species
carbon in aerobic respiration,
carbon and hydrogen in the
combustion of fossil fuels such
as methane:
CH4 + 2O2  CO2 + 2H2O
oxidizes inorganic substances
such as iron(II) in minerals:
4FeO + O2  2Fe2O3
Questo elemento si combina velocemente e ossida altre specie come il carbonio nella respirazione
aerobica, o come carbonio e idrogeno nella combustione di combustibili fossili come il metano…
l'ossigeno elementare ossida le sostanze inorganiche come il ferro (II) di minerali…
Oxygen Cycle
Important is stratospheric
ozone, O3.

filters out ultraviolet radiation
(220-330 nm),
protecting life on Earth

The oxygen cycle is completed
by the return of elemental
O2 to the atmosphere:
photosynthesis mediated
by plants.
Un aspetto particolarmente importante del ciclo di ossigeno riguarda l’ozono stratosferico, O3.
Una concentrazione relativamente piccola di ozono nella stratosfera filtra i raggi ultravioletti
nella gamma di lunghezze d'onda di 220-330 nm, proteggendo così la vita sulla Terra dagli effetti
altamente dannosi delle radiazioni. Il ciclo dell'ossigeno è completato dal ritorno di O2
elementare in atmosfera. L'unico modo significativo in cui ciò sia fatto è mediato attraverso la
fotosintesi mediata dalle piante.
Phosphorous Cycle
phosphorus is the limiting
nutrient in ecosystems.
no common stable gaseous
phosphorus cycle is
endogenic.
In the geosphere in poorly
soluble minerals,
such as hydroxyapatite: the
major reservoir of phosphate.
Il ciclo del fosforo è cruciale perché il fosforo è di solito il nutriente limitante per gli
ecosistemi. Non ci sono forme gassose comuni stabili di fosforo, così il ciclo di fosforo è
endogeno. Nella geosfera, il fosforo si ritrova in gran parte in minerali scarsamente solubili,
come in depositi di idrossiapatite, un sale di calcio, che costituiscono i principali serbatoi di
fosfato nell’ambiente.
Phosphorous Cycle
Soluble phosphorus from
phosphate minerals and other
sources
is taken up by plants
and incorporated into genetic
material of organisms.
Mineralization of biomass
by microbial decay
returns phosphorus to the salt
solution that precipitate as
mineral matter.
Il fosforo solubile proveniente dai minerali di fosfati e da altre fonti come fertilizzanti è
utilizzato dalle piante e incorporato in acidi nucleici che costituiscono il materiale genetico
degli organismi. La mineralizzazione della biomassa attraverso il decadimento microbico
restituisce il fosforo alla soluzione salina dalla quale può precipitare come sostanza minerale
Phosphorous Cycle
The anthrosphere is an
important reservoir of
phosphorus
Large quantities of
phosphates are extracted
from phosphate minerals
Phosphorus is a constituent
of some extremely toxic
compounds.
L’antroposfera è un importante serbatoio di fosforo nell'ambiente. Grandi quantità di fosfati
sono estratti da minerali per essere utilizzati come fertilizzanti, prodotti chimici industriali, e
di additivi alimentari. Il fosforo è un costituente di alcuni composti estremamente tossici, in
particolare insetticidi organofosfati e gas nervini usati in campo militare.
Sulfur Cycle
The sulfur cycle involves:



several gaseous species,
poorly soluble minerals,
several species in solution.
It is tied with the oxygen cycle:
sulfur dioxide, SO2, an
atmospheric pollutant,
soluble sulfate ion, SO42-.
Il ciclo dello zolfo, è relativamente complesso, in quanto coinvolge diverse specie gassose,
minerali scarsamente solubili, e diverse specie in soluzione. Esso è legato al ciclo
dell'ossigeno perché si combina con l'ossigeno per formare il biossido di zolfo gassoso (SO2),
uno degli inquinanti atmosferici, e lo ione solfato solubile (SO42-).
Sulfur Cycle




The significant species :
gaseous hydrogen sulfide, H2S;
mineral sulfides, such as lead
sulfur (PbS)
sulfuric acid (H2SO4)
biologically bound sulfur in
proteins.
The most significant part:
the presence of pollutant SO2 gas
and H2SO4 in the atmosphere.
Tra le specie rilevanti che intervengono nel ciclo di zolfo, vi sono solfuro di idrogeno gassoso,
H2S; solfuri minerali, come PbS; acido solforico, H2SO4, il componente principale delle piogge
acide; e lo zolfo legato biologicamente in proteine solforate. Poiché interessa l'inquinamento, la
parte più significativa del ciclo di zolfo è la presenza dell’inquinante SO2 e H2SO4 in atmosfera.
Sulfur Cycle
Sulfur dioxide is a toxic gaseous
air pollutant evolved in the
combustion of fossil fuels.
The major detrimental effect in
the atmosphere
tendency to oxidize in the
atmosphere to produce sulfuric
acid.
responsible for acidic
precipitation, “acid rain.”
Il diossido di zolfo è un inquinante gassoso tossico che si sviluppa nella combustione del dei
combustibili fossili contenenti zolfo. Il principale effetto negativo del diossido di zolfo
nell'atmosfera è la sua tendenza ad ossidarsi in atmosfera producendo acido solforico. Questa
specie è responsabile di precipitazioni acide, "piogge acide".
ENVIRONMENTAL CHEMISTRY
La Chimica ambientale è stata definita come lo studio delle fonti, le reazioni, i trasporti, gli
effetti e destino delle specie chimiche in acqua, suolo, aria, e ambienti di vita e gli effetti
della tecnologia di essa.
Questa definizione è illustrato per un tipico inquinante ambientale…..
Un'idea della complessità della chimica ambientale come disciplina può essere realizzato in
Figura, che mostra l'interscambio di specie chimiche tra i vari comparti ambientali. In tutto un
sistema ambientale ci sono variazioni di temperatura, miscelazione, l'intensità della radiazione
solare, l'input di materiali, e vari altri fattori che influenzano fortemente le condizioni e il
comportamento chimico
Environmental chemistry & industrial ecology
– many strong connections.

Industrial ecology:
– must consider the principles and processes of environmental chemistry.

Environmental chemistry
–

The facilities and processes of an industrial ecology system
–

in the extraction of materials to provide the materials required by industrial systems with
minimum environmental impact.
can be sited and operated for minimal adverse environmental impact if environmental
chemistry is considered in their planning and operation.
Environmental chemistry
–
the way to minimize the environmental impacts of the emissions and by-products of
industrial systems,
– very helpful in reaching the ultimate goal of a system of industrial ecology, which is to
reduce these emissions and by-products to zero.
La chimica ambientale ed ecologia industriale hanno molte connessioni forti. La
progettazione di un sistema integrato di ecologia industriale deve considerare i principi e
processi di chimica ambientale. La chimica ambientale deve essere considerata per
l'estrazione dei materiali dalla geosfera e da altri comparti in modo coerente con il minimo
impatto ambientale così come l’ecologia industriale deve di ridurre emissioni e sottoprodotti a
ENVIRONMENTAL CHEMISTRY
Environmental chemistry can be divided into several
categories.

Aquatic chemistry
 Atmosferic chemistry
 Geochemistry
 Biochemistry
La chimica dell'ambiente può essere suddivisa in diverse categorie: chimica acquatica,
chimica atmosferica, geochimica, biochimica.
Aquatic chemistry
deals with chemical phenomena in natural
water



in streams,
lakes, oceans, underground aquifers, and other
where the water is rather freely exposed to the
atmosphere, soil, rock, and living systems.
È la branca della chimica ambientale che si occupa di fenomeni chimici in acqua. Si
occupa dello studio dei fenomeni chimici nelle cosiddette "acque naturali", nei corsi
d'acqua, laghi, mari, falde acquifere sotterranee, e altri luoghi dove l'acqua è liberamente
esposta all'atmosfera, al suolo, rocce, e sistemi viventi.
Aquatic chemistry
The fundamental phenomena :
 Acid-base reactions and complexation.
 Oxidation-reduction phenomena,
 The “Phase Interactions.”
 Aquatic Microbial Biochemistry.
 Water Pollution
I fenomeni fondamentali che si applicano alle specie chimiche disciolte in acqua, sono i seguenti:
reazioni acido-base e di complessazione, fenomeni di ossidazione-riduzione in acqua, molti importanti
interazioni chimiche acquatici che si verificano tra le specie disciolte in acqua e quelli in forma
gassosa, solida, e fasi di liquidi immiscibili, la chimica delle acque naturali isolate, indipendenti, e
purificate e la forte influenza sulla chimica dei microrganismi acquatici. Inquinamento idrico.
Atmospheric chemistry
To understand the chemical phenomena in the
atmospheric processes it is first necessary to have a basic
knowledge:

of the structure and composition of the atmosphere,

the important concepts of atmospheric chemistry,
particularly photochemistry.
Per comprendere i fenomeni chimici nei processi atmosferici è prima necessario avere
una conoscenza di base: della struttura e della composizione dell'atmosfera e i concetti
importanti della chimica atmosferica, in particolare di fotochimica.
Atmospheric chemistry
Photochemical reactions
occur when electromagnetic radiation from the sun
energizes gas molecules
forming reactive species
that initiate chain reactions
Le reazioni fotochimiche si verificano quando la radiazione elettromagnetica
proveniente dal sole eccita le molecole di gas formando specie reattive che iniziano
reazioni a catena che determinano la chiave dei principali fenomeni chimici
atmosferici
Atmospheric chemistry
The reactive species :


Particles in the atmosphere
Gaseous inorganic air pollutants,

Organic species

Organic air pollutants that generate the photochemical
smog.
Le specie reattive sono: Particelle in atmosfera, Inquinanti inorganici gassosi come il
monossido di carbonio, ossidi di azoto e ossidi di zolfo, specie organiche in atmosfera
che risultano in alcuni importanti fenomeni di inquinamento che influenzano anche le
specie inorganiche. Inquinanti organici che generano l'effetto più importante di
inquinamento atmosferico organico come lo Smog fotochimico.
Geosphere and Geochemistry

In the Geochemistry the physical nature and chemical
characteristics of the geosphere is very important

Soil is an important part of the geosphere that is
essential to life on earth.

Soil chemistry permict to collect chemical information of
soils.
Nella Geochimica sono molto importanti la natura fisica e le caratteristiche chimiche del
geosfera. Il suolo è una parte importante della geosfera, che è essenziale per la vita sulla
terra. La Chimica del suolo permette di raccogliere informazioni chimiche dei suoli.
Anthrosphere

Because human activities have such a profound effect on
the environment it is convenient to invoke a fifth sphere
of the environment called the “anthrosphere.”
Much of the influence of human activity on the
environment relates
to water and air pollution and hazardous wastes.
Poichè le attività umane hanno un profondo effetto sull'ambiente è opportuno
richiamare una quinta sfera dell'ambiente chiamata " antrosfera“. Gran parte
l'influenza delle attività umane sull'ambiente riguarda l'inquinamento idrico e
atmosferico e i rifiuti pericolosi.
Biosphere and Biochemistry

biochemical phenomena in the environment.
Fenomeni biochimici nell’ambiente
Aquatic chemistry
water in rivers, lakes,estuaries, oceans, and underground,
the phenomena of distribution and circulation of chemical species in
natural waters.
understanding of the sources, transport, characteristics, and
composition of water.
The chemical reactions and the chemical species
influenced by the environment in which the water is found.
La chimica acquatica, deve considerare l'acqua nei fiumi, laghi, estuari, oceani, sotterranei
così come i fenomeni che determinano la distribuzione e la circolazione delle specie
chimiche in acque naturali. Il suo studio richiede una certa conoscenza delle fonti, dei
trasporti, le caratteristiche e la composizione delle acque. Le reazioni chimiche che
avvengono in acqua e le specie chimiche trovate in esso sono fortemente influenzate
dall'ambiente in cui l'acqua si trova.
Aquatic chemistry
The chemistry of water exposed to the atmosphere different from
that at the bottom of a lake.
Microorganisms play an essential role
it is necessary to consider the many general factors that influence this
chemistry.
The study of water is known as hydrology and is divided into a
number of subcategories.
La chimica delle acque esposti l'atmosfera è ben diversa da quella d'acqua sul fondo di
un lago. Microrganismi svolgono un ruolo essenziale nel determinare la composizione
chimica dell'acqua. Così, nel discutere la chimica dell'acqua, è necessario prendere in
considerazione i numerosi fattori generali che influenzano questa chimica. Lo studio
dell’acqua è conosciuto come Idrologia ed è diviso in una serie di sottocategorie.
Sources and Uses of Water: The Hydrologic Cycle
The world’s water supply is found in the five parts of the
hydrologic cycle.
in the oceans: the majory (97%) of Earth’s water.
 as water vapor in the atmosphere (clouds)
 in the solid state as ice and snow, glaciers, and the polar
ice caps.
 in lakes, streams, and reservoirs.
 in aquifers underground as groundwater

La riserva d'acqua del mondo si trova nelle cinque parti del ciclo idrologico. Circa il
97% dell'acqua della Terra si trova negli oceani. Un'altra parte è presente come vapore
acqueo nell'atmosfera (nuvole). Un po‘ d'acqua è contenuto allo stato solido come il
ghiaccio e la neve, i ghiacciai e le calotte polari. Delle acque di superficie si trova in
laghi, torrenti, e serbatoi. Le acque sotterranee si trovano in falde acquifere.
Sources and Uses of Water: The Hydrologic Cycle
Il ciclo idrologico dell’acqua.
Sources and Uses of Water: The Hydrologic Cycle
Strong connection
hydrosphere, where water is found,
lithosphere, part of the geosphere accessible to water.
Human activities affect both.
For example, disturbance of land
by conversion of grasslands or forests to agricultural land
or intensification of agricultural production
may reduce vegetation cover,
decreasing transpiration and affecting the microclimate.
Vi è una forte connessione tra l'idrosfera, dove l'acqua si trova, e la litosfera, che è quella
parte della geosfera accessibili per l'acqua. Le attività umane incidono entrambi. Per
esempio, disturbi della terra da parte di conversione delle praterie o foreste di terreni
agricoli o l'intensificazione della produzione agricola possono ridurre la copertura vegetale,
diminuendo la traspirazione (perdita di vapore di acqua da parte delle piante) e che
interessano il microclima.
Sources and Uses of Water: The Hydrologic Cycle
The result is



increased rain runoff,
erosion,
accumulation of silt in bodies of water.
The nutrient cycles accelerated,
nutrient enrichment of surface waters.
profoundly affect the chemical and biological
characteristics of bodies of water.
Il risultato è una maggiore deflusso di pioggia, erosione, e accumulo di limo nei corpi
d'acqua.
The properties of Water
L'acqua ha un certo numero di caratteristiche uniche che sono essenziali per la vita.
Alcune delle caratteristiche particolari sono il suo carattere polare, la tendenza a
formare legami idrogeno, e la capacità di idratate ioni metallici.
The Water molecule
Polar water molecule and solvent effects on ions
Per esempio, quando NaCl scioglie in acqua come ioni Na + positivi e negativi ioni Cl-,
gli ioni sodio positivi sono circondati da molecole di acqua con le loro estremità negative
rivolte verso gli ioni e gli ioni cloruro sono circondati da molecole di acqua con le loro
estremità positive rivolte verso gli ioni negativi. Questo tipo di attrazione per ioni è la
ragione per cui l'acqua scioglie molti composti ionici e sali che non si dissolvono in altri
liquidi.
The Water molecule
The three atoms form an angle of 105°.
Because of water’s bent structure and the fact that the oxygen atom
attracts the negative electrons more strongly than do the hydrogen
atoms,
the water molecule behaves like a dipole having opposite electrical
charges at either end.

The water dipole may be attracted to either positively or
negatively charged ions.
I tre atomi non sono in linea retta ma formano un angolo di 105°. A causa della struttura
piegata e per il fatto che l’atomo di ossigeno attrae gli elettroni più fortemente degli
atomi di H, le molecole d’acqua si comportano come un corpo che ha cariche elettriche
opposte agli estremi o poli. Per la presenza di cariche opposte agli estremi, il dipolo
acqua può essere attratto da ioni carichi sia positivamente che negativamente.
The Water molecule

ability to form hydrogen bonds.
between the hydrogen in one water molecule and the oxygen in
another water molecule.
because the oxygen has a partial negative charge and the hydrogen
a partial positive charge.
Hydrogen bonds, hold the water molecules in large groups.
Una seconda importante caratteristica della
molecola d’acqua è la sua abilità a formare
legami idrogeno che è un particolare tipo di
legame che si può formare tra l’idrogeno di una
molecola d’acqua e l’ossigeno di un’atra
molecola d’acqua. Questo legame ha luogo
perché l’ossigeno ha una parziale carica negativa
e l’idrogeno una parziale carica positiva. I
legami idrogeno (linea tratteggiata) fanno si che
le molecole d’acqua formino grandi aggregati.
The Water molecule

Hydrogen bonds: to hold some solute molecules or ions in solution.
when hydrogen bonds form between the water molecules and
hydrogen, nitrogen, or oxygen atoms on the solute molecule.

Hydrogen bonding also aids in retaining colloidal particles in
suspension in water

Water is an excellent solvent for many materials
basic transport medium for nutrients and waste products in life
processes.

I legami idrogeno inoltre permettono di avere alcune
molecole o ioni in soluzione. Questo accade quando
essi si formano tra molecole d’acqua e gli atomi di H,
N e O che si trovano sulla molecola di soluto. Il
legame idrogeno permette anche di mantenere in
soluzione acquosa particelle molto piccole chiamate
particelle colloidali. L’acqua è un eccellente solvente
per molti materiali; così è il mezzo di trasporto base
per nutrienti e prodotti di scarto nei processi vitali.
The Water molecule:
high dielectric constant
The extremely high dielectric constant of water
relative to other liquids
has a profound effect upon its solvent properties
in that most ionic materials are dissociated in water.
La estremamente elevata costante dielettrica dell’acqua rispetto ad altri liquidi ha un
profondo effetto sulla sua proprietà solventi nella maggior parte di composti ionici che si
dissociano in acqua.

The Water molecule:
highest heat capacity
highest heat capacity of any liquid or solid (with the exception
of liquid ammonia):

large amount of heat is required to change appreciably the
temperature of a mass of water;

a body of water can have a stabilizing effect upon the
temperature of regions.

protects aquatic organisms from the shock of high temperature
variations.
Con l'eccezione di ammoniaca liquida, l'acqua ha la più alta capacità termica di un liquido o solido. A
causa di questa alta capacità termica, una quantità relativamente grande di calore è necessario per
modificare sensibilmente la temperatura di una massa d'acqua, quindi, un corpo d'acqua può avere un
effetto stabilizzante sulla temperatura delle vicine regioni geografiche. Inoltre, questa struttura
impedisce cambiamenti improvvisi di temperatura in grandi riserve di acqua e protegge in tal modo gli
organismi acquatici dallo shock delle variazioni improvvise di temperatura.
The Water molecule:
high heat vaporization
high heat of vaporization of water (585 cal/g at 20°C)

stabilizes the temperature of bodies of water

influences the transfer of heat and water vapor between bodies of
water and the atmosphere.
Il calore estremamente elevato di vaporizzazione di acqua (585 cal / g a 20 ° C) stabilizza
allo stesso modo la temperatura dei corpi idrici e nelle regioni circostanti geografiche. Essa
influenza anche il trasferimento di calore e vapore acqueo tra gli organismi acquatici e
l'atmosfera.
The Water molecule:
maximum density at 4°C
maximum density at 4°C, a temperature above its freezing point:
ice floats.
The pattern of vertical circulation of water in lakes
is governed largely by the unique temperature-density
relationship of water.
L'acqua ha la sua massima densità a 4 ° C, una temperatura superiore al suo punto di
congelamento. La fortunata conseguenza di questo fatto è che il ghiaccio galleggia. Inoltre,
il modello di circolazione verticale delle acque dei laghi, un fattore determinante per la loro
composizione chimica e la biologia, è disciplinato in gran parte dalla relazione temperatura
- densità dell'acqua.